涂永飞, 聂光辉

　　（镇江华东电力设备制造厂有限公司，江苏 镇江 212004）

　　摘要：介绍了弧光保护装置如何通过W5100芯片实现双网口。装置采用W5100的两个端口实现了TCP和UDP，然后通过两者的结合完成以太网IEC103通信，在实际应用中取得了良好的效果。

　　关键词：弧光保护；以太网IEC103；W5100；UDP；TCP

0引言

　　IEC103传输规约是国际电工委员会为了在不同保护设备和控制系统之间实现信息互换的目的而制定的继电保护设备信息接口配套标准［1］，在电力系统中得到了广泛应用。随着计算机网络通信技术的发展，越来越多的继电保护装置采用以太网IEC103规约。本文主要结合镇江华东电力设备制造厂公司ZHG1A型弧光保护装置，详细介绍以太网IEC103在弧光保护装置中的实现方法。

1ZHG-1A型智能弧光保护装置的硬件设计方案

　　ZHG-1A型智能弧光保护装置依据紫外光弧光检测和过电流检测双判据原理，具有保护动作速度快、可靠性高等特点［2］。装置采用“DSP+双ARM”架构，其中DSP作为主CPU，负责电压、电流的采集计算和保护逻辑，一片ARM负责液晶显示和DSP通信，另一片ARM主要负责与站内监控系统通信，通信规约采用以太网IEC103和Modbus。整个装置的硬件设计方案如图1所示。

2以太网IEC103的硬件设计方案

　　大多数以太网接入设备采用MCU+以太网控制芯片（如RTL8019AS,DM9008等），然后通过软件实现嵌入式TCP/IP协议栈，这种方式对开发人员的软硬件设计能力要求较高。

　　随着微电子技术的发展，硬件协议栈芯片越来越便宜，因此本装置采用韩国WIZnet公司生产的W5100，使用它不需要考虑以太网的控制，只需要进行简单的端口(Socket)编程［3］。本装置使用两片W5100，分别采用直接总线接口和SPI总线接口方式来实现弧光保护装置的两路以太网通信。

　　2.1W5100的SPI总线接口

　　LPC1788的SSP0口与W5100的SPI相连。P0［16］和P0［27］ 用作普通的I/0管脚。 P0［16］作为W5100的SPI从模式选择，P0［27］用作W5100复位，W5100刚上电时一定要复位且持续时间不小于2 μs。由于此管脚为LPC1788的开漏极管脚，所以要接上拉电阻(图中未画出)。/INT管脚与EINT1相连。/SEN脚接高电平，使能W5100的SPI模式。W5100的SPI接口框图如图2所示。

　　2.2W5100的直接总线接口

　　W5100的直接总线接口采用15位地址线，8位数据线。在直接总线方式下，/CS必不可少，用于MCU访问W5100内部寄存器或存储器。/WR为写使能，/RD为读使能。以上管脚与LPC1788的外部存储控制器模块（EMC）相连［4］。/INT引脚与EINT0管脚相连。/RESET为W5100的复位脚，/SEN脚接低电平，禁止W5100的SPI模式。W5100的直接总线接口框图如图3所示。

3以太网IEC103的软件设计

　　弧光保护装置是国内最近几年才出现的新装置，IEC 608705103描述了两种信息交换的方法：第一种方法是基于严格规定的应用服务数据单元和传输“标准化”报文的应用过程，第二种方法使用通用分类服务，以传输几乎所有可能的信息［5］。本装置采用第二种方法。

　　本装置采用标准TCP/IP的客户机服务器模型进行通信。规约采用以太网UDP报文与TCP报文相结合［6］的格式，应用规约控制信息（APCI）采用与IEC104相似的格式。W5100共有四个端口，分别是S0，S1，S2，S3。在这里端口S0用作TCP通信，置为TCP客户端模式,TCP端口号为2404；端口S1置为UDP模式，UDP端口号为1032。上电初始化后，就已建立了UDP连接。通信开始时，主站定时向弧光保护装置发送广播报文，装置通过UDP收到主站的IP地址和端口号后，主动与主站建立TCP连接。整个链路建立后，主站与装置利用TCP报文进行信息传输，采用的报文格式如图4所示。

　　W5100接收到一帧数据后,/INT脚输出低电平,引起LPC1788的外部中断，置位外部中断标志。当TCP建立连接，通信正常时，主程序每隔10 ms调用网络报文处理程序。在以太网IEC103报文进行接收的过程中，对接收成功的一串报文首先要进行帧校验，先查看报头0x68,再查看接收数据的长度，最后再看接收序列号和发送序列号，采用IEC104相似的规约控制信息，能够防止报文丢失和报文重复传送。当接收的报文正确无误时，再通过发送序列号判断报文是I格式、S格式还是U格式。如果接收的报文是I格式，则按照通用分类服务对报文进行解析，响应报文，最后组织相应报文发给主站。以太网IEC103网络处理流程如图5所示。

　　本设计中以太网IEC103采用平衡传输方式。通常情况下装置采用一问一答方式传输实时数据。当发生开入量变位、压板状态改变、装置发生动作、告警等事件时，装置会即时将这些变化信息主动上传到主站。

　　主函数中的W5100直接总线接口方式程序如下:

　　……

　　if(Bus_GulTick) //外部中断,置1

　　{ Bus_GulTick=0;

　　Bus_W5100_Interrupt_Process();

　　}

　　if(Bus_NetWork.netloop)//10 ms执行1次

　　{

　　Bus_NetWork.netloop=0;

　　if(Bus_NetWork.OnLink==DISCONNECTED)

　　Bus_ProcessAboutUDP(); //UDP

　　else

　　Bus_ProcessAboutNet(); //TCP

　　}

　　……

　　建立TCP和UDP连接程序如下：

　　if(Bus_S0_State==0)

　　{//建立TCP连接

　　if(Bus_S0_Mode==TCP_CLIENT)

　　{

　　if(Bus_Socket_Connect(0)==W5100_TRUE)

　　Bus_S0_State=S_INIT;

　　else

　　Bus_S0_State=0;

　　}}

　　if(Bus_S1_State==0)

　　{//建立UDP连接

　　if(Bus_Socket_UDP(1)==W5100_TRUE)

　　Bus_S1_State=S_INIT|S_CONN;

　　else

　　Bus_S1_State=0;

　　}

4结束语

　　在弧光保护产品中实现以太网IEC103规约是厂家面对的问题。装置采用LPC1788+两片W5100实现了IEC103网络方式。W5100中的两个端口一个用于UDP，一个用于TCP，使得装置与主站链接灵活，通信传输可靠。经过现场的运行测试，实现了弧光保护装置长期在线、实时监测，满足了通信要求，对其他产品实现以太网IEC103具有借鉴意义。

　　参考文献

　　［1］ 吴晓辉，陈泽文.基于DSP的以太网103规约在电力监控系统中的应用 ［J］.计算机应用与软件，2009，26(10)：235238.

　　［2］ 涂永飞,王名传.基于SPI双机通信的弧光保护系统［J］.微型机与应用,2015,34(2)：7274.

　　［3］ 成都浩然电子有限公司.W5100数据手册［Z］.2010.

　　［4］ NXP.LPC178x/7x用户手册［Z］. 2011.

　　［5］ 中华人民共和国国家经济贸易委员会.远动设备及系统第5部分：传输规约：继电保护设备信息接口配套标准DL/T667-1999［S］.北京：中国电力出版社， 2011.

　　［6］ 邓素碧，赵振龙，陈军,等.以太网103规约及其在水电厂自动化系统中应用［J］.电力自动化设备,2007,27(4)：7982.